CN102653278A - 一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统装置，包括：无线发射器，所述无线发射器配置于前方列车上(或前方信号灯内)，用于定向发送第一无线信号及第二无线信号，其中所述第一无线信号用于时间同步，所述第二无线信号用于距离测量；无线接收器，所述无线接收器配置于后方列车头部，用于定向接收所述第一及第二无线信号，并根据所述第一及第二无线信号计算出与前方列车(或前方信号灯)之间的距离；列车控制器，所述列车控制器配置于所述后方列车内，用于根据列车参数生成一个实时动态虚拟闭塞区间，并将所述闭塞区间与所述距离进行比较，如果所述距离小于所述闭塞区间则向所述后方列车发出制动指令，以避免与前方列车发生碰撞意外。一种应用于所述系统装置的列车控制车载移动闭塞系统方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种关于列车控制的闭塞系统，特别是一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统装置及方法。
背景技术
目前在轨道交通上基本上都会采用“闭塞系统”对列车运行实施控制，以有效保障列车在自己的闭塞段(区间)内是既无前行列车，又无后随列车进入此区间发生碰撞。历史上最常用的闭塞系统为“基于轨道电路的列车运行控制”(TrackCircuit Based Train Control，TBTC)，随着现代计算技术机及通信技术的发展，目前又出现了更先进的“基于通信的列车运行控制”(Communication BasedTrain Control，CBTC)，使列车具有更高的可靠性、灵活性及营运效率。
TBTC及CBTC表达的实际上是一种实现区间闭塞的方法或手段，如果从闭塞的形式及效果来看，则可分为“固定闭塞系统”(Fixed Block System，FBS)及“移动闭塞系统”(Moving Block System，MBS)。固定闭塞系统的闭塞区间是固定不变的，并且闭塞区间一定要大于列车的长度；而移动闭塞的闭塞区间长度则是可变的，可根据列车本身参数自动调整，并且还会随列车运行而移动，是一种基于“可行距离”(distance-to-go)的控制模式。移动闭塞比固定闭塞要求更高，但同时也具有更高的营运效率。CBTC-MBS代表了现代列车控制的较高水平。
然而不管是TBCT、CBTC，还是FBS、MBS，列车与地面之间都有着非常密切的联系，列车与地面之间要实施有效的通信，并通过地面设备检查或确认列车的位置，才能形成有效的“闭塞”，才能避免列车进入闭塞区间发生碰撞。从这个意义上来说，TBCT及CBTC体现了两种不同的通信方式，前者是通过轨道电路实现列车与地面的联系，而CBCT则是通过无线方式来实现列车与地面的通信，并且在列车与地面通信的同时实现于地面轨道上的定位。为了实现所述的定位功能，必须要在列车轨道上铺设轨道电路、计轴器、应答器、交叉感应电缆等设施检测列车位置，并将列车位置信号传送到列车控制中心(以CBTC为例)，最后再由列车控制中心生成闭塞区间并指示或控制列车于所述区间内运行。这个过程不但复杂，成本也比较昂贵，并且当控制中心发生故障时，列车的运行就要终止，或只能采用无信号保障的人工操作模式，在这种情况下列车的运行安全则是没有保障的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有产品技术上的不足，提供一种新的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统装置，包括：
无线发射器，所述无线发射器配置于前方列车上(或前方信号灯内)，用于定向发送第一无线信号及第二无线信号，其中所述第一无线信号用于时间同步，所述第二无线信号用于距离测量；
无线接收器，所述无线接收器配置于后方列车头部，用于定向接收所述第一及第二无线信号，并根据所述第一及第二无线信号计算出与前方列车(或前方信号灯)之间的距离；
列车控制器，所述列车控制器配置于所述后方列车内，用于根据列车参数生成一个实时动态虚拟闭塞区间，并将所述闭塞区间与所述距离进行比较，如果所述距离小于所述闭塞区间则向所述后方列车发出制动指令，以避免与前方列车发生碰撞意外。
本发明实施例还提供一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统方法，包括以下步骤：
于前方列车(或前方信号灯)定向发送第一无线信号及第二无线信号，其中所述第一无线信号用于时间同步，及所述第二无线信号用于距离测量；
于后方列车定向接收所述第一及第二无线信号，并根据所述第一及第二无线信号计算出与前方列车(或前方信号灯)之间的距离；
于所述后方列车根据列车参数生成一个虚拟闭塞区间，并将所述闭塞区间与所述距离进行比较，如果所述距离小于所述闭塞区间则向所述后方列车发出制动指令，以避免列车发生相撞意外。
本发明具有的有益效果在于它是一个全新的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统装置，其列车闭塞区间的产生并不依赖于轨道电路、计轴器、应答器、交叉感应电缆等轨道或路边设备/设施，也不依赖于列车控制中心，其移动闭塞控制系统为一车载单元，可安装于列车内部，与现有的闭塞系统相比较，本发明实施例具有简单、方便、直接、可靠等特点，为现代列车控制提供了一种新的技术手段及产品选择。
附图说明
图1为现有技术基于通信的列车控制移动闭塞系统示意图；
图2为本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统示意图；
图3为本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统于月台停车的示意图；
图4为本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统的结构方框图；
图5为本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统的无线信号测距波形图；
图6为本发明实施例的包括有无线中继器的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统示意图；
图7为本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。请参照图1所示，这是现有技术基于通信的列车控制移动闭塞系统示意图。图中11为前方行驶的列车，12为后方跟随的列车，两列车于同一条轨道13上运行。为了能有效检测列车的位置及令地面设备能与列车有效通信，图中使用了交叉感应电缆14，所述交叉电缆每25米交叉一次，列车经过交叉电缆时会接收到相应的信号，从而可实现每25米一次的定位操作。为了进一步增加系统的可靠性，除交叉电缆外，还可在轨道上增加计轴器15，当交叉电缆感应失效(例如受干扰等影响)时，计轴器亦可进行列车定位。列车位置信息会通过电缆传输到远方的列车控制中心16(Vehicle Control Centre，VCC)，这样控制中心便可知道路轨上相应列车的位置，并可控制相关列车在一个虚拟的闭塞区间内运行，从而避免列车相撞事故的发生。
为了不发生列车追尾碰撞，后方列车12必须与前方列车11保持一个适当的距离。所谓适当距离就是当前方列车急停车时(可假设最坏的情况，例如列车突然出轨停止运行)，后方列车也能把车停住，不至于发生碰撞。列车的停车距离与多方面的因素有关，例如与列车的车速以及制动力有关，具体呈现在停车曲线上。图中19是后方列车12的一条停车曲线，图中纵坐标为列车的速度V，横坐标是列车的停车距离S，列车速度越高，停车距离就越大。具体可用S＝V0t-at2/2及t＝V0/a来计算，其中V0为列车的速度，a为列车制动的负加速度，t为列车停车的时间，S为停车距离。将公式进一步简化之后有S＝V0 2/2a。例如假设V0＝20米/秒(对应于72公里的时速)，a为1.33米/秒平方，则S＝150米。在一般情况下还要加上一个安全余量S1(例如25米)，则在上述情况下的列车闭塞区间长度为S+S1＝175米。列车控制中心16的一个重要工作是控制列车不要进入所述的175米的闭塞区间之内，这也是所述闭塞系统的意义所在。
下面请再参照图2所示，这是本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统示意图。图中21为前方列车，22为后方列车，于同一轨道23上行驶。图2比图1要简单很多，因为本发明实施例的系统原则上无需如图1所示的地面设施，包括交叉感应电缆14、计轴器15、列车控制中心16等。
图2所示的系统的列车闭塞区间是通过距离测量来实现的。图中25为前方列车21发送的，以及可由后方列车22接收及识别的，用于距离测量的无线信号(包括第一无线信号及第二无线信号)，所述无线信号为后方列车22头部的无线接收器所接收，所述无线接收器可根据无线信号25来测量两车之间的实时距离，关于其具体工作原理在下面还将会有进一步的说明。图中29为列车22的停车曲线，如果列车从27处位置开始制动，则可以在28处停下来，S+S2(安全余量)便是列车22在速度V情况下生成的实时动态虚拟闭塞区间长度，这和前述图1所述基本上是一样的。
和图1不同的地方主要在于图2中没有地面设备，其闭塞区间的生成也不依赖于列车控制中心，防止列车进入闭塞区间的重任将由列车自身来担任。由于不需要复杂的地面设备，以及无需将信号从前方列车送到控制中心，再由控制中心传送到后方列车上。并且所有控制设备均为车载的，因此系统不但可以简化，同时也更易于维护保养，以及具有更高的可靠性及更大的灵活性。图2中前方列车21是从列车尾部发射无线信号的，在实际应用中，亦可同时在列车头部发射信号，这样便可避免列车迎头相撞，其原理是一样的，这里就不赘述了。
下面请再参照图3所示，这是本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统于月台停车的示意图。图中31为前方站台的信号灯，当列车要入站停车时，信号灯为红色，标示列车要在信号灯前停下来。在本实施例中，无线信号发射器被放置于信号灯31之内，当有红灯信号时，会同步发送列车可识别的可用于距离测量的无线信号25(包括第一无线信号及第二无线信号)，所述信号会被后方列车22(为统一起见，凡是接收所述用于测距的无线信号的列车都称为后方列车，不管前方是列车还是信号灯)所接收，并由后方列车根据当时的列车参数生成一个实时动态虚拟闭塞区间(S+S2)，并根据闭塞区间的要求于27处开始制动，并最终在28处停下来，并与红灯相距S2的安全距离。这在原理上与前述图2是一样的，只是应用的场合不同而已。
下面请再参照图4所示，这是本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统的结构方框图。图中21为前方列车(或前方信号灯)，32为配置于21上的无线发射器，无线发射器32中包括有红外信号发射单元及超声信号发射单元，可同时发送红外线信号33(第一无线信号)和超声波信号35(第二无线信号)，这两个信号的组合等同于前述的可用于距离测量的无线信号25。所述33、35被安装于后方列车22上的无线接收器36所接收，在36中分别包括有红外信号接收单元、超声信号接收单元，可以分别接收所述的红外线信号33及超声波信号35，并可根据这两种信号计算出与前方列车(或前方信号灯)的相对距离(关于具体工作原理在下面将会有进一步的说明)。为了更好实现距离测量，以及能够于测量距离的过程中同时传送数据，在无线发射器32中还包括有数字编码调制单元，以及在无线接收器36中还包括有数字解码还原单元，从还原的波形(或接收数据的时间差)中可以计算出发射器和接收器之间的距离(等同于前后列车之间的距离)，并可根据这个距离的连续检测可计算出两车之间的相对速度及相对加速度。在这种情况下，无线信号25可称为“无线数字编码信号”，红外线信号33及超声波信号35可分别称为“数字编码红外线信号”及“数字编码超声波信号”。在一般情况下，33及35在信号发射器中会有相同(或相关)的数字编码方式及相位。
在后方列车22中包括有一个列车控制器38，该控制器包括有列车参数输入单元，可检测/输入当前列车速度及列车制动参数等，以便可以生成一个动态实时的闭塞区间，这个动态实时闭塞区间的长度反映在前述的停车曲线上。如果在生成闭塞区间的过程中将两列车之间的相对速度也考虑进去，则系统可令列车运行具有更高的效率，因为理论上两列以相同速度匀速前进的列车是不会发生碰撞的；当前方列车减速时，如果后方列车能同步减速也不会有相撞的问题，但必须保证后方列车能自动及可靠减速，并且不会有前方列车骤停的情况出现。
当所述动态闭塞区间生成后，列车控制器会将闭塞区间与两车间的实时距离进行比较，如果两车间的距离大于闭塞区间长度则代表列车是安全的，反之如果所述距离小于所述区间长度则是危险的，这时制动指令单元便会发出相应的制动指令，指示驾驶人员开始制动(或直接发指令至列车制动系统实施制动)，以避免列车进入所述闭塞区间内。
在列车控制器38中还有一个失效安全控制单元，即是说如果后方列车接收不到由前方列车(或前方信号灯)发送的所述无线信号的话，则要实施停车操作，因为前方可以行进的距离不明，为安全起见，列车将停止前进，这就是所说的“失效——安全”模式(Fail-Safe-Design)，这将最大限度保障列车的安全。对于实行“失效——安全”工作模式的系统要求有关信号能覆盖整个列车运行区间，列车在其运行区间内都不能有信号盲点的存在，这就需要沿铁路轨道配置无线中继器了，这将会在随后的有关图例中作进一步的说明。
下面请再参照图5所示，这是本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统的无线信号测距波形图。图中330为所述红外线编码信号33(第一无线信号)于无线接收器输出端的波形图，350为所述超声波编码信号35(第二无线信号)于无线接收器输出端的波形图。尽管这两个信号在无线发射器端的波形和相位都是一样的，但由于发射器和接收器之间有一个空间距离，并且由于两种信号于空气中传输的速度各不相同(红外线传播速度为30万公里/秒，可视为为瞬间到达及无延迟；而超声波于空气中的传播速度(15℃时)为340米/秒)，因此信号于接收器端所看到的两组波形便有一个时间差，我们将这个时间差称为相位差或相位时间差。图中331及332为红外线编码信号的同步位，代表一个红外线信号数据包的开始；351及352为超声波编码信号的同步位，代表一个超声波信号数据包的开始。在无线发射器端这两个信号的波形及相位是一样的，但经过一定距离的空气传播之后，在接收器端的超声波信号明显比红外线信号延迟了，图中T1、T2便表现了这两个信号延迟情况(相位时间差，从同步位下降沿开始量度)。对于信号可以采用“0”和“1”的数字编码方式，并可用信号脉冲的高低电平的时间长短来定义。在图中，一个脉冲与一个相对窄的间隔代表数字“0”，而一个脉冲与一个相对宽的间隔代表数字“1”(在实际系统中可以有其它不同的编码方式及数字定义方式)。为了能识别两个波形(数据包)是否为同一个时段发送的数据，在上述波形中还包含了数据包的识别代码，例如T1针对“0001…”的数据包(第一数据包)进行测量，而T2则针对”0010…”的数据包(第二数据包)进行测量，系统只会将具有相同(或相关)代码的波形进行比较，这样会就不会有波形错位的情况出现了，即可以实现接收装置上的信号同步。
以下通过一些具体数据为例作出分析和计算，假设上述波形来自图2所示的系统，并且在T1前两列车以72公里的时速(20米/秒)匀速行驶，同时假设测量到的T1为514.706毫秒，T2为512.744毫秒，T1、T2间隔1秒(为了简化计算假设系统每1秒测量一次距离，在实际中可更频密地测量)，则根据S＝V＊ΔT的公式可计算出两列车在T1及T1时的距离分别约175.0米及174.333米(假设气温为15摄氏度，超声波的传播速度为340米/秒)，即在1秒之间两列车的距离改变了0.667米，根据这个距离的变化可计算出两车之间存在一个1.33米/平方秒的负加速度(根据公式a＝2S/t2计算)。根据这个加速度可判断出前方列车正在进行制动，并且根据72公里的时速(20米/秒)及1.33米/平方秒的负加速度，可进一步推算前方列车会在开始减速的15秒钟后向前行驶150米后停下来，这时后方列车亦应该进行同步制动，以免进入闭塞区间之内与前方列车发生碰撞事故。
从上述的分析中可以发现，第一无线信号(红外线信号)主要用于时间同步，其代表了无线发射器发送无线信号时的相位(不考虑红外信号的延迟)，而第二无线信号(超声波信号)则主要用于距离测量，只要将接收到的第二无线信号与第一无线信号进行比较，并将第第二无线信号的相位时间差乘以第二无线信号于空气中的传播速度便可计算出接收器与发射器之间的距离，具体可用公式S＝V＊T来计算。在实际应用中，还可以用其它两种传播速度不同的信号做第一无线信号及第二无线信号，例如用射频信号、微波信号、激光信号等来实现第一无线信号，以及可以通过轨道金属来传送超声波信号等，原理其实都是一样的，具体就不赘述了。
下面请再参照图6所示，这是本发明实施例的包括有无线中继器的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统示意图。在前述图4中曾提到过要实行“失效——安全”工作模式，就求信号传输能于列车运行区间全线无阻，不管列车处于哪个位置都要能实时接收到前方列车或前方信号灯发送的无线信号，而图6的无线中继器正是为了满足这个要求而配置的。图中51为无线中继器，所述中继器沿铁路轨道安装，并将前方列车或前方信号灯发送的无线信号沿轨道方向逐级传递，使这个可用于距离测量的无线信号可以覆盖整个列车运行区间，这样无论列车位于何处，都能接收到来自前方的信号，并知道还有多远的距离可行(Distance-to-go)。
图中31为前方远处的信号灯(或前方列车)，33及35分别为31发送的红外线信号(第一无线信号)及超声波信号(第二无线信号)，所述无线信号为中继器51所接收，然后再向后发送出去，并成为新的红外线信号53及超声波信号55。中继器转发的新的无线信号不会改变原无线信号于中继器处的相位，使后方列车22接收后解码出来的信号所代表的距离与原无线发射器发送的信号代表的距离是一致的，即是中继器不会影响后方列车对原信号发射器之间的距离测量。
中继器除具有信号转发功能之外，还可以在转发信号的过程中附加上一些新的信息，例如附加上中继器所在路段的限速信息。图中58为中继器51所在路段的速度限制标志(图中显示为60公里)，中继器可以将该信息打包于其转发的无线信号53、55之中，这样当后方列车接收到信号后，除可将信号作测距之用外，还可以根据信号解码出有关路段的限速信息。除此之外，中继器还可以将自身的ID加进去，由于中继器的物理位置是预先知道的，因此当列车收到所述中继器ID之后，便可知道其物理位置(绝对位置)，这对列车的运行具有意义。
下面请再参照图7所示，这是本发明实施例的基于测距的列车控制车载移动闭塞系统方法流程图，包括以下的步骤：
步骤S701为于前方列车(或前方信号灯)定向发送第一无线信号及第二无线信号，其中所述第一无线信号用于时间同步，所述第二无线信号用于距离测量。
步骤S702为于后方列车定向接收所述第一及第二无线信号，并根据所述第一及第二无线信号计算出与前方列车(或前方信号灯)之间的距离。
步骤S703为于所述后方列车根据列车参数生成一个实时动态虚拟闭塞区间，并将所述闭塞区间与所述距离进行比较，如果所述距离小于所述闭塞区间则向所述后方列车发出制动指令，以避免与前方列车发生相撞意外。
步骤S704为利用沿列车轨道安装的无线中继器，对所述第一及第二无线信号进行信号中继，令所述第一及第二无线信号可于整个列车运行区间内传送。
步骤S705为当所述无线中继器对所述第一及第二无线信号进行信号中继时，于所述转发的第一及第二无线信号中叠加上其所在路段的列车限速信息。
步骤S706为当所述后方列车无法接收到所述第一及第二无线信号时，向所述后方列车发出停车指令以避免与前方列车发生相撞意外。
同时以上本文所述的装置及方法仅是本发明的部分优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统装置，其特征在于，包括：
无线发射器，所述无线发射器配置于前方列车上(或前方信号灯内)，用于定向发送第一无线信号及第二无线信号，其中所述第一无线信号用于时间同步，所述第二无线信号用于距离测量；
无线接收器，所述无线接收器配置于后方列车头部，用于定向接收所述第一及第二无线信号，并根据所述第一及第二无线信号计算出与前方列车(或前方信号灯)之间的距离；
列车控制器，所述列车控制器配置于所述后方列车内，用于根据列车参数生成一个实时动态虚拟闭塞区间，并将所述闭塞区间与所述距离进行比较，如果所述距离小于所述闭塞区间则向所述后方列车发出制动指令，以避免与前方列车发生碰撞意外。
2.如权利要求1所述的移动闭塞系统装置，其特征在于所述系统还包括无线中继器，所述无线中继器于列车运行区间内沿轨道安装，用于行车区间内转发所述第一及第二无线信号。
3.如权利要求2所述的移动闭塞系统装置，其特征在于所述无线中继器包括有相应路段的列车限速信息，并可将所述限速信息叠加于其转发的第一及第二无线信号内。
4.如权利要求2所述的移动闭塞系统装置，其特征在于所述列车控制器包括有失效安全控制单元，当所述无线接收器无法接收所述第一及第二无线信号时，会向后方列车发出停车指令以避免与前方列车发生相撞意外。
5.如权利要求1所述的移动闭塞系统装置，其特征在于所述第一及第二无线信号为两种传播速度各不相同的信号。
6.如权利要求5所述的移动闭塞系统装置，其特征在于所述第一及第二无线信号为经数字编码的红外线信号及超声波信号。
7.一种基于测距的列车控制车载移动闭塞系统方法，其特征在于，包括以下步骤：
于前方列车(或前方信号灯)定向发送第一无线信号及第二无线信号，其中所述第一无线信号用于时间同步，所述第二无线信号用于距离测量；
于后方列车定向接收所述第一及第二无线信号，并根据所述第一及第二无线信号计算出与前方列车(或前方信号灯)之间的距离；
于所述后方列车根据列车参数生成一个实时动态虚拟闭塞区间，并将所述闭塞区间与所述距离进行比较，如果所述距离小于所述闭塞区间则向所述后方列车发出制动指令，以避免与前方列车发生相撞意外。
8.如权利要求7所述的移动闭塞系统方法，其特征在于，还包括以下步骤：
利用沿列车轨道安装的无线中继器，对所述第一及第二无线信号进行信号中继，令所述第一及第二无线信号可于整个列车运行区间内传送。
9.如权利要求8所述的移动闭塞系统方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当所述无线中继器对所述第一及第二无线信号进行信号中继时，于所述转发的第一及第二无线信号中叠加上其所在路段的列车限速信息。
10.如权利要求8所述的移动闭塞系统方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当所述后方列车无法接收到所述第一及第二无线信号时，向所述后方列车发出停车指令以避免与前方列车发生相撞意外。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120905 |